Моделирование энергетического воздействия при лазерном микроструктурировании изделий из углеродистых сталей

В статье описана методика моделирования в программной среде COMSOL (ПК COMSOL Multiphysics ) энергетических параметров лазерного воздействия, позволяющего
без разрушения поверхностного слоя оптимизировать микроструктуру и повысить физико-механические свойства рабочих поверхностей деталей из углеродистых сталей.
На основании теоретических представлений о механизмах основных процессов, определяющих энергетические характеристики воздействие лазерного излучения, были получены уравнения средней плотности энергии (энергетической дозы) лазерного излучения, температуры локального нагрева в центре пятна сканирования обрабатываемой поверхности, а также площади покрытия излучением в единицу времени и скорости её покрытия из-
лучением, достаточной для изменения микроструктуры углеродистой стали без разрушения поверхностного слоя. На основании их экспериментальной апробации были разработаны режимы лазерного воздействия (микроструктурирования), обеспечившие возможность
управления диффузией углерода из внутренних слоев детали к её рабочим поверхностям. Реализация разработанных режимов позволила сформировать структуру поверхностного слоя с повышенным содержанием углерода и высокой твердостью без оплавления за счёт
диффузии углерода из внутренних слоев к рабочим поверхностям изделий. Результаты исследований послужили основой для оформления патента РФ на способ лазерной микрообработки сталей (RU 2 840 325 C1).

1. Усов С. В. Промышленное применение физико-технических методов в производстве. — М.: Перо, 2021. — 283 с.

2. Минаев И. В., Клементьев Д. С., Кутепов С. Н., Агеева Е. В., Журба Д. В. Формирование упрочнённого поверхностного слоя при комплексном лазерном воздействии на кромку реза деталей из конструкционных углеродистых сталей и механических свойств поверхностного слоя деталей из стали марки 30ХГСА // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. — 2023. — Т. 13, № 2. — С. 55–69.

3. Гаврилов Д. И., Жданов А. В., Беляев И. В. Влияние лазерной модификации поверхности на физико-механические и трибологические свойства штамповой стали // Ползуновский вестник. — 2022. — № 4, т. 2. — С. 14–18. — DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.002.

4. Войтович О. Н., Сокоров И. О. Исследование влияния параметров лазерной термообработки на свойства упрочненных поверхностных слоев // Вестник Белорусско-Российского университета. — 2013. — № 2 (39). — С. 6–14.

5. Либенсон М. Н., Яковлев Е. Б., Шандыбина Г. Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика). Ч. 2: Лазерный нагрев и разрушение материалов: учебное пособие / под общ. ред. В. П. Вейко. — СПб.: НИУ ИТМО, 2014. — 181 с.

6. Вейко В. П. Лазерное микроформообразование (физические основы, применения, проблемы и перспективы) // Известия Академии наук. Серия физическая. — 2001. — Т. 65, № 6. — С. 864–870.

7. Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. —СПб.: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. — 264 с.

8. Вейко В. П., Дышловенко С. С. Лазерное микроструктурирование поверхностей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2001. — Т. 1, № 4. — С. 119–128.

9. Среда COMSOL (ПК COMSOL Multiphysics) [Электронный ресурс]. — URL: https://www.comsol.com (дата обращения: 01.01.2024).

10. Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. — М.: Машиностроение, 2000. — 320 с.

11. Gamaly E. G. The physics of ultra-short laser interactions with solid at non relativistic intensities // Physics Reports. — 2011. — Vol. 508. — P. 91–243.

12. Dyukin R. V., Martsinovskiy G. A., Sergaeva O. N., Shandybina G. D., Svirina V. V., Yakovlev E. B. Interaction of Femtosecond Laser Pulses with Solids: Electron/Phonon/Plasmon Dynamics // Laser Pulses — Theory, Technology, and Applications / ed. by I. Peshko. — Rijeka: InTech, 2012. — P. 197–218.

13. Коздоба Л. А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. — М.: Наука, 1975. — 240 с.

14. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. — М.: Наука, 1964. — 344 с.

15. Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. — М.: Изд-во МГУ: Наука, 2004. — 656 с.

16. Амирханов И. В., Саркер Н. Р., Сархадов И. Численное моделирование лазерной абляции материалов // Discrete and Continuous Models and Applied Computational Science. — 2020. — Т. 28, № 4. — С. 398–405. — ISSN 2658-4670.

17. Минаев И. В., Кутепов С. Н., Клементьев Д. С., Агеев Е. В. Влияние режимов лазерной обработки на изменение структуры и механических свойств поверхностного слоя деталей из стали марки 30ХГСА // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. — 2023. — Т. 13, № 1. — С. 73–86.

18. Минаев И. В., Журба Д. В., Голышев И. В., Клементьев Д. С., Сергеев А. Н., Малий Д. В. Способ лазерного микроструктурирования исполнительной плоской кромки деталей из углеродистой стали: пат. 2840325 Рос. Федерация. — № 2024132938; заявл. 01.11.2024; опубл. 21.05.2025, Бюл. № 15.